Skip to main content

LCD-evolúció – 1

Megjelent: 2017. február 08.

LCD kijelzok 300 250A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete


Napjaink leginkább meghatározó síkpaneles vizuális megjelenítési technológiájának alapja a folyadékkristályok elektromos hatás által kiváltott viselkedése. De hogyan válhatott a ’80-as évek kvarcóráiban alkalmazott parányi monokróm folyadékkristály-kijelző (Liquid Crystal Display – LCD) gigászi méretű, színes, nagy felbontású tévéképernyővé, vagy okostelefonjaink, táblagépeink interakcióra fogható érintőfelületes információ- és tartalommegjelenítőjévé? Hová tart ez a fejlődés? Cikksorozatunk a kezdetektől számos meghatározó innováció részletein át követi az LCD-kijelzők térhódításának történetét.

Kezdjük az alapoknál

A folyadékkristályok (Liquid Crystal – LC) olyan anyagok, amelyek ugyan folyékonyak, de sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan térbeli iránytól függ (anizotrópia). Molekuláik általában hosszúak, hossztengelyük irányában kettős kötés rendszerük miatt merevek, nagy, permanens dipólmomentumuk[1] van, és a láncvégeken könnyen polarizálható csoportok helyezkednek el (1. ábra). Ezek a hosszúkás molekulák makroszkopikus rend kialakítására képesek úgy, hogy a rendszer folyékonysága megmarad.

molekula

1. ábra Egy nematikus folyadékkristály-molekula, a p-azoxianizol (C14H14N2O3)


A folyadékkristályok szerkezeti felépítésük szerint többfélék lehetnek (lásd „A folyadékkristályokról” című keretes írásunkat), azonban közös jellemzőjük, hogy szerkezetükből adódóan képesek elforgatni a rajtuk áthaladó polarizált fény síkját. Hőmérséklet-változás vagy elektromos térerősség hatására a folyadékkristály molekuláinak szerkezete – és ezzel a polarizált fénnyel való kölcsönhatásuk is – megváltozik. Ez a tulajdonság teszi lehetővé, hogy a folyadékkristályokat elektrooptikai kijelzők (LCD) készítésére használják.

Csináljunk LCD-kijelzőt

Az LCD-kijelzők strukturális alapja két üveglap közé zárt folyadékkristály-réteg. A határoló lapok belső felületére átlátszó óndioxid (SnO2) vezetőfilm kerül, az ezekre kapcsolt feszültség hozza létre az üveglapokra merőleges elektromos teret. Az elektródákat úgynevezett orientáló bevonattal (pl. elektrosztatikusan töltött műanyag vagy felgőzölt SiO2 réteg – üvegbordázat) is ellátják, amelyekkel beállítható az elektródákhoz közeli folyadékkristály-molekulák elrendeződésének iránya. Ezzel érik el, hogy a kijelző folyadékkristály-rétegének molekulái az elektromos tér megszűntekor mindig ugyanabba az alapállapotba kerüljenek vissza. A határoló lapokat szigetelő távtartók (1…15 μm) választják el. Az egész kijelzőt hermetikusan lezárják. Mivel a polarizáció síkjának megváltozása szabad szemmel közvetlenül nem látható, az üveglapok külső felületére polarizátor szűrőfóliát visznek fel, amely a kijelző ki-, illetve bekapcsolt állapota között a szükséges kontrasztot megvalósítja.
Valamennyi LCD-kijelző közös jellemzője, hogy saját fényt nem bocsát ki, csak a rajta áthaladó fény intenzitását változtatja meg. Ez teszi lehetővé, hogy a kijelzők minimális teljesítményfelvétellel, kis feszültségekkel működjenek (néhány nW/cm², 1…10 V), ezért jól használhatók akkumulátorral vagy elemmel működő hordozható eszközökben. Hátrányaik közé sorolható, hogy vezérlésükhöz váltakozó feszültség szükséges, mert egyenfeszültség hatására az elektródák polarizálódnának, ami lecsökkentené a kijelző élettartamát.
Az LCD-kijelzőkben használt folyadékkristály-anyagokat általában több (sok esetben akár 10…20) vegyület alkotja. Összetételüket a gyártók titkos információkként kezelik. Ezekkel a „mixtúrákkal” az adott alkalmazáshoz legmegfelelőbb anyagi paraméterek állíthatók be, amelyek közül talán a működési hőmérséklet-tartomány a leginkább meghatározó (az a hőmérséklet-tartomány, amelyen belül a vegyület folyadékkristályos tulajdonságokat mutat). 

 

A folyadékkristályokról

A folyadékkristályok felfedezése Friedrich Reinitzer osztrák botanikus és biokémikus érdeme, aki egy 1888-ban végzett kísérlete során úgy észlelte, mintha az általa előállított koleszteril-benzoát észternek különös módon két olvadáspontja lenne. 

A folyadékkristályok esetében fontos ennek két hőmérsékleti pontnak a megkülönböztetése. Amikor a szilárd halmazállapotból folyadékkristály halmazállapot jön létre, azt C-N (Crystalline-Nematic) pontnak; amikor a folyadékkristályból folyékony halmazállapot lép fel, N-L (Nematic-Liquid) pontnak nevezik. A folyadékkristály a C-N pontnál folyékony halmazállapotúvá válik a szó hétköznapi értelmében, de a molekulái részben megtartják eredeti, rendezett szerkezetüket. Ha a hőmérsékletet tovább növelik, és elérik az N-L pontot, a molekularendezettség megszűnik, és az anyag valódi folyadékká alakul át.
A folyadékkristály elnevezés Otto Lehmann német fizikustól származik, aki mikroszkóp alatt vizsgálta ezeket a vegyületeket.
Georges Friedel francia ásványtankutató és krisztallográfus 1922-ben publikált Az anyag mezomorf állapotai (Les états mésomorphes de la matière) című tanulmányában szerkezetük alapján három nagy csoportra – szmektikus, nematikus és koleszterikus – osztotta a folyadékkristályokat.

keretes


A szmektikus folyadékkristályok neve a görög szappan szóból ered, mivel molekulaszerkezetük hasonlóságot mutat a szappanéhoz. A vastag, szivar alakú molekulák szorosan, egymással párhuzamosan, a molekulatengelyre merőleges síkú, monomolekuláris rétegekben helyezkednek el. Az egyes rétegekben a molekulák elrendezése véletlenszerű. A szmektikus anyag melegítésekor először szilárd halmazállapotból folyadékkristály állapotba kerül. A monomolekuláris rétegek egymáson elcsúszhatnak, de a rétegek megmaradnak. A melegítést folytatva, az anyag folyékonnyá válik, és ekkor már a rétegeken belüli kötések is felbomlanak. Ilyen szmektikus anyag az etil p-azoxibenzoát.
A nematikus folyadékkristályok nevüket a görög fonál szóból kapták, molekulaszerkezetük fonálhoz való hasonlósága miatt. A szmektikus anyagokkal összehasonlítva szerkezetük kevésbé rendezett. Vékony molekuláik pálcika alakúak (fonálszerűek), molekuláris tengelyük folyadékkristályos állapotban egymással párhuzamos. Egymáson csak a tengelyük irányában képesek elmozdulni, vagy a hossztengelyük körül elfordulni, de mindvégig párhuzamosak maradnak. Nematikus folyadékkristály például a p-etoxi-benzilidén-p-amino-benzonitril és a p-azoxianizol.
A koleszterikus folyadékkristály-vegyületek leginkább koleszterol-származékok, bár maga a koleszterol nem folyadékkristály. Szerkezetük szintén réteges. A folyadékkristályt alkotó szerves anyag molekuláris tengelyei egymással és az általuk alkotott monomolekuláris rétegek síkjaival párhuzamosak. Mivel az egy rétegben lévő molekulák molekuláris tengelyei egymással párhuzamosak, ezek a rétegek igen vékonyak. Az egyes keskeny rétegekben elhelyezkedő molekulák tengelyei az egyes síkokban nem tetszőleges irányban helyezkednek el, hanem csak a szomszédos sík által meghatározottan. Ebből következik, hogy az egyes molekularétegek néhány száz réteg után ismét ugyanolyan irányt vesznek fel.
Tovább csűrjük-csavarjuk

Az LCD-kijelzők szempontjából legfontosabbak a nematikus folyadékkristályok, amelyek optikailag úgynevezett egytengelyű kristályokként viselkednek. Az egytengelyű kristályokra jellemző, hogy van egy szimmetriatengelyük, amelyre merőleges síkban minden irány optikai szempontból egyenértékű. Ez a tulajdonság meghatározó fontosságú a legelterjedtebb folyadékkristályos kijelzőtípus, az úgynevezett csavart nematikus (Twisted Nematic – TN) cella esetében.
A TN LCD-kijelző üveglapjainak belső felén elhelyezett elektródákra olyan orientáló bevonat kerül, hogy az üveglapokhoz közeli molekulák a felülettel párhuzamosan adott irányban, de a két üveglapon egymáshoz képest 90°-os szögben álljanak. Ezért, amikor a kijelzőcellát nematikus folyadékkristállyal kitöltik, a molekulák hossztengelyének iránya az egyik üveglaptól a másikig haladva fokozatosan elcsavarodik. Az üveglapok külső felére kerülő polarizátor szűrőfóliákat oly módon helyezik el, hogy az általuk átengedett fény polarizációja a molekulák hossztengelyének irányával párhuzamos legyen, vagyis a polarizátor szűrők egymást keresztező állapotban vannak (2. ábra).

1abra

2. ábra

Az elektromos tér nélküli (kikapcsolt, OFF) alapállapotban a TN LCD-kijelzőn átmenő fény intenzitása az egymáshoz képest 90°-kal elforgatott polarizátor szűrők ellenére maximális, mivel a két szűrő polarizációs szöge közötti eltérést a molekulák „csavart” elrendezése éppen áthidalja. Amikor a kijelzőre feszültséget kapcsolnak, a felületekre és a folyadékkristály-molekulák hossztengelyének kezdeti irányára merőleges elektromos tér alakul ki. Ennek hatására a molekulák befordulnak az elektromos térrel párhuzamos irányba, ami által megszűnik az optikai forgatás. A fény nem tud áthaladni az egymást keresztező polarizátor szűrőkön – a TN LCD-kijelző bekapcsolt állapota (ON) tehát sötét (3. ábra).

2abra

3. ábra

Lássunk valamit

Az előbb taglalt eljárással háttér-megvilágítást igénylő, egyszerű monokróm LCD-kijelző készíthető. Ha az LCD-panel aljára fényvisszaverő réteg (tükör) kerül, akkor a kijelző háttérvilágítás nélkül működhet, de ilyenkor a kapott kép kontrasztja már jelentősen gyengül, és sötétben nem használható.
Az LCD-kijelzők alkalmazási köre a kijelző felépítésétől és az elektródák mintázatától függően széles körben változik. Mintázat nélküli elektródák fénymodulátornak, hétszegmenses kijelzők műszerekben, zsebszámológépekben, órákban, háztartási gépekben számok megjelenítésére használhatók.
A nagyobb méretű és összetettebb képi információk megjelenítésére is alkalmas LCD-kijelzők viszont már komolyabb vezérlést igényelnek, hiszen ezeknél már nem szegmensek és/vagy fix alakzatok, hanem képpontok (pixelek) láthatóvá tételét vagy éppen kikapcsolását kell megoldani. Erre két megoldás kínálkozik. Az első az úgynevezett passzív mátrix LCD, amelynél az egyes képpontok vezérlését a két üveglapon elhelyezett, egymásra merőleges sor- és oszlopelektródák tranzisztorvezérelt elektromos aktiválása, illetve deaktiválása végzi. Mivel azonban a vezérlés a katódsugárcsöves képmegjelenítéshez hasonlóan a pásztázáson alapul, egyszerre egy sort jelenítenek meg. Így egy képpont a teljes képfrissítési időnek csak egy részében van bekapcsolva, ezért a kontraszt csökken (4. ábra).

3abra

4. ábra


Sokkal jobb eredmény érhető el az aktív mátrix LCD-vezérléssel, amelynél képpontonként (illetve alképpontonként, erre később visszatérünk) külön-külön tranzisztor – és kondenzátor – gondoskodik arról, hogy a folyadékkristály-molekulák helyzetét befolyásoló elektromos tér kialakuljon-e vagy sem. Mivel ezeket az aktív vezérlőelemeket is a kijelző síkján helyezik el, átlátszónak kell lenniük. Ezért az aktív mátrix LCD-paneleknél úgynevezett „vékonyréteg tranzisztorokat” (Thin Film Transistor – TFT) alkalmaznak[2]. Innen ered az ezekre a kijelzőkre általánosságban használt TFT LCD-kifejezés. Mivel az egyes képpontok be- és kikapcsolását végző tranzisztorok mindegyike közvetlenül vezérelhető, a TFT LCD-kijelzők kontrasztaránya jobb, reakcióideje[3] pedig rövidebb a passzív mátrix rendszerű folyadékkristály-panelekéhez képest. Ezenkívül pedig a vékonyréteg tranzisztorok megfelelő vezérlésével képárnyalatok is reprodukálhatók, ami meghatározó fontosságú a színes képek megjelenítése szempontjából (5. ábra). Az LCD-kijelzők TFT-tranzisztorokkal megvalósított aktív mátrix rendszerű vezérlése ideális alapmegoldást jelent a nagy képméretű és felbontású, részletgazdag képi textúrák és gyors mozgások kellően pontos megjelenítésére.

4abra

5. ábra

 

Az LCD-kijelzők fejlődéstörténetével foglalkozó cikksorozatunk következő részében a színes kép megjelenítésének alapjaival foglalkozunk, valamint a kijelzők szélesebb rálátási szögtartományokból történő nézhetőségét elősegítő megoldásokat taglaljuk.

 

Herceg János


Forrásanyagok:
Fundamentals of Liquid Crystal Displays – How They Work and What They Do (Fujitsu White Paper), Koltai János „Folyadékkristályok és folyadékkristály kijelzők” című munkája

 

[1] Az elektromos dipólmomentum jelentése: két azonos nagyságú, de ellentétes előjelű töltést közelítünk egymáshoz. Ha töltésük nagysága q, a pozitívból a negatívba mutató vektor pedig l, és p=ql értékét állandónak tartva a nulla távolságú határesetben p a rendszer elektromos dipólmomentuma. Összességében elektromosan semleges rendszer, de elektromos térben való viselkedése szempontjából mégis van jelentősége. Azokat a molekulákat nevezzük dipólusoknak, amelyek egymáshoz közeli, de ellentétes töltésű részecskékből állnak (pl. a víz, amiben a hidrogén és az oxigén nem azonos mértékben vonzza magához az elektronfelhőt.)

[2] Mivel a nagyszámú tranzisztor túlságosan megnövelné a kijelző fogyasztását, a TFT LCD-paneleknél az úgynevezett térvezérlésű tranzisztorokat (Field Effect Transistor – FET) alkalmazzák, amelyek vezérlő (kapu) elektródája statikus állapotban csak igen kicsi, szinte alig mérhető áramot vesz fel.

[3] Elterjedtebb szóhasználatban válaszidőként emlegetett jellemző. A válaszidő (Response Time) az az idő, ami alatt a vezérlés a folyadékkristályokat a bekapcsolt állapotból a kikapcsolt állapotba – és viszont – juttatja, illetve megváltoztatja a folyadékkristályok elcsavarodásának mértékét (képárnyalat-szabályozás). A válaszidő két alkotórészre bontható: aktiválási válaszidő (Rising Response Time) és visszaállítási válaszidő (Falling Response Time). A TFT LCD-kijelzők aktiválási válaszideje (a folyadékkristály „bekapcsoláshoz” igénybe vett idő) nagyon rövid. A visszaállítási válaszidő (a folyadékkristály „kikapcsoláshoz” igénybe vett idő) sokkal hosszabb. Minél rövidebb a teljes válaszidő (az aktiválási és visszaállítási válaszidők összege), annál élesebb lesz a kép, és pontosabb lesz a mozgásmegjelenítés. A jelenlegi csúcskategóriás, videojátékra használható (gaming) LCD-monitorok válaszideje 1–2 ms körüli, míg az általános célú LCD-monitoroké 4–5 ms között van.